超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速的實(shí)驗(yàn)研究.docx

1、海洋技術(shù)學(xué)報(bào)JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYdoi:10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.008超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速的實(shí)驗(yàn)研究劉潤(rùn)華，鄒大鵬.，龍建軍，胡少興(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,廣東廣州510006)摘要:海底滲漏氣泡流速是測(cè)量海底冷泉滲漏氣體流量的主要參數(shù)。為了測(cè)量海底滲漏氣泡流速，利用超聲多普勒測(cè)量的原理和氣泡的二次多普勒效應(yīng)，提出海底滲漏氣泡速度的超聲多普勒測(cè)量方法。超聲多普勒測(cè)量根據(jù)超聲多普勒原理設(shè)計(jì)了氣泡流量測(cè)量裝置，通過(guò)多普勒頻移算出海底滲漏氣泡流速，同時(shí)用視頻法測(cè)出海底滲漏氣泡流速。從多普勒法和視頻法的氣泡速度數(shù)據(jù)I分

2、布95%的置信水平誤差可知，視頻法的氣泡速度數(shù)據(jù)的波動(dòng)大于多普勒法的氣泡速度數(shù)據(jù)的波動(dòng)，表明了超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速的有效性和準(zhǔn)確性，優(yōu)于視頻法測(cè)量海底滲漏氣泡流速。關(guān)鍵詞:海底冷泉滲漏；多普勒；頻移；氣泡流速中圖分類(lèi)號(hào)：0429文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào):1003-2029(2016)02-0046-05收稿日期:2015-03-10基金項(xiàng)目：三亞深?？茖W(xué)與工程附晰知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)目資助0DSSE-2O12O8)；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014A040402008)作者簡(jiǎn)介:劉潤(rùn)華(1987-),男.碩士研究生，主要從事海洋聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail:294863052通訊作

3、者:鄒大鵬(1977-).男.副教授.主要從事工程裝備和聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail:anthonyzou海底冷泉滲漏是海洋環(huán)境中廣泛分布的自然現(xiàn)象山，部分滲漏到海洋水體以及大氣中,天然氣的成分主要為甲烷，甲烷是重要的溫室氣體之-，每年通過(guò)海底冷泉天然氣滲漏釋放到海洋水體及大氣中的甲烷的量是巨大的部分滲漏天然氣在適合的環(huán)境中將生成天然氣水合物，儲(chǔ)存在水合物中的天然氣有可能成為未來(lái)能源。人類(lèi)有必要對(duì)海底冷泉進(jìn)行觀測(cè)，探測(cè)出海底冷泉天然氣的滲漏量。目前測(cè)量海底冷泉天然氣的滲漏量應(yīng)用的方法有：容積收集法件氣利用收集器直接收集海底冷泉天然氣滲漏的氣泡氣體的量，難以用于較深的水域和連續(xù)觀測(cè)；回波強(qiáng)度檢

4、測(cè)氣泡流量法利用氣泡柱反射I可波的強(qiáng)度間接檢測(cè)海洋中的氣泡的流量，回波信號(hào)強(qiáng)度主要取決于被測(cè)氣泡柱狀流界面的反射，網(wǎng)波沒(méi)有探測(cè)到氣泡柱狀流內(nèi)部信息；攝像裝置觀測(cè)滲漏氣泡法叫采用高分辨CCD獲取氣泡流動(dòng)圖像，采用圖像處理軟件計(jì)算氣泡的直徑，此方法分辨率高，需要光源耗電大，所以適宜短時(shí)觀測(cè);遙測(cè)紅外成像法四,根據(jù)甲烷強(qiáng)烈吸收短波紅外線(xiàn)的特性，采用光潛數(shù)據(jù)評(píng)估釋放到海面的甲烷數(shù)量，該方法適用于大范圍的海底冷泉滲漏量定性估計(jì)，難以定量測(cè)景滲漏量。本文基于測(cè)量前調(diào)整氣泡狀態(tài)并用透射聲波測(cè)量滲漏氣泡流量的方法嗎，在開(kāi)展了超聲測(cè)截而含氣率和光學(xué)測(cè)氣泡流速的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用超聲多普勒測(cè)速法測(cè)量海底滲漏

5、氣泡流速。1超聲多普勒測(cè)量原理和方法1.1超聲多普勒測(cè)量的原理多普勒超聲流量測(cè)量的原理是基于物理學(xué)中聲波的多普勒效應(yīng)，當(dāng)超聲波聲源和反射界面或散射體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，被反射或被散射的超聲波信號(hào)的頻率將產(chǎn)生變化，該頻率與聲源超聲波頻率之間的差值與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比。這一現(xiàn)象是物理學(xué)家ChristianJohannDoppler于1842年首次發(fā)現(xiàn)的，被稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。接收信號(hào)的頻率與聲源的頻率之差稱(chēng)為多普勒頻移，相應(yīng)的頻差信號(hào)稱(chēng)為多普勒信號(hào)。當(dāng)氣液兩相中存在著可供反射或散射超聲波的運(yùn)動(dòng)粒子（例如氣泡、固體粒子等）時(shí),便可利用多普勒信號(hào)確定運(yùn)動(dòng)粒子的速度。1.2超聲測(cè)量的二次的多普勒效應(yīng)如圖1

6、所示,發(fā)射超聲波流量:傳感器透穿過(guò)氣泡流動(dòng)的通道是一個(gè)矩形通道，是由網(wǎng)狀材料組成，目的是超聲波透射而不改變?cè)瓉?lái)的路徑和運(yùn)動(dòng)氣泡能固定在矩形測(cè)量通道內(nèi)，使作用在運(yùn)動(dòng)氣泡的超聲波能返回接收超聲波流量傳感器。圖1反射式二次多普勒?qǐng)D解二次的多普勒效應(yīng)"（如圖1）是指：（1）若聲源靜止、接收點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，則接收點(diǎn)收到一個(gè)波長(zhǎng)的時(shí)間（周期）變化，因而產(chǎn)生多普勒頻移。運(yùn)動(dòng)著的氣泡首先作為接收體即產(chǎn)生了第一次多普勒效應(yīng)；（2）若聲源運(yùn)動(dòng)、接收點(diǎn)靜止，則由于聲源運(yùn)動(dòng)使波在傳播過(guò)程中發(fā)生波長(zhǎng)變化，因而產(chǎn)生多普勒頻移。由于聲波散射（反射），氣泡再作為運(yùn)動(dòng)的聲源產(chǎn)生了第二次多普勒效應(yīng)。1.3超聲測(cè)量的方法接收信號(hào)

7、的頻率/與聲源的頻率f0之差稱(chēng)為多普勒頻移刀，即底事?？梢詫?xiě)成式（1）1，4）:fd=蟲(chóng)（COS。+CO幼）（1）C式中:C為超聲波高頻在水氣介質(zhì)中傳播速度,可以看成是水介質(zhì)的聲速，隨著頻率增高，水氣介質(zhì)的聲速接近于無(wú)氣泡時(shí)的狀態(tài)|叫”為氣泡流速；a為發(fā)射超聲波束與氣泡流速方向矢量夾角;務(wù)為接收超聲波束與氣泡流速方向矢址夾角（其中發(fā)收超聲波束是無(wú)方向性）。當(dāng)伉與務(wù)大致相等，由式（1）可得：由（2）式可知，氣泡速度0與多普勒頻移刀成正比。測(cè)出多普勒頻移，就可以算出氣泡速度頻移可以通過(guò)短時(shí)FFT計(jì)算，頻譜分析可以得出超聲換能器接收到頻率成分。2超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速裝置的設(shè)計(jì)根據(jù)超聲波發(fā)射

8、和散射定律陽(yáng):當(dāng)障礙物直徑大于超聲波波長(zhǎng)的1/2時(shí)，在障礙物表面主要發(fā)生反射;當(dāng)障礙物直徑小于超聲波波長(zhǎng)的1/2時(shí)，在障礙物表面主要發(fā)生散射。反射的回波比散射的回波功率強(qiáng)。因此,超聲多普勒需要設(shè)計(jì)成反射式的方式。氣泡破碎均勻后的氣泡直徑在35mm,選用中心頻率為973kHz的超聲換能器，超聲波在水介質(zhì)傳播的波長(zhǎng)為1.5mm,符合超聲波發(fā)射和散射定律的反射條件。海底滲漏氣泡流速的超聲多普勒測(cè)量裝置（圖2）由4個(gè)部分組成:模擬海底冷泉滲漏氣泡形成部分、氣泡收集預(yù)處理部分、聲波測(cè)量部分和視頻驗(yàn)證部分。模擬海底冷泉滲漏氣泡形成部分,空壓機(jī)（氣源）產(chǎn)生壓縮空氣進(jìn)入水池中壓縮氣體的流量，壓縮氣體在水中形成

9、氣泡，模擬海底冷泉滲漏氣泡產(chǎn)生過(guò)程。氣泡收集預(yù)處理部分，氣泡收集預(yù)處理裝置收集產(chǎn)生的氣泡，預(yù)先破碎調(diào)整氣泡的流動(dòng)狀態(tài)，使其大小基本一致,在水中的分布趨于均勻。1.氣管2.發(fā)射換能器3.接收換能器4.水面5.水池圖2超聲多普勒測(cè)量裝置示意圖聲波測(cè)量部分,聲波測(cè)雖部分由奧迪威超聲波流量傳感器（AW5Y0980K03L142Z）.TH204B聲波儀、電子電路、PC機(jī)組成。通過(guò)TH204B聲波儀單次采集激發(fā)電子電路產(chǎn)生有限個(gè)正弦波作用于奧迪威超聲波流量傳感器，為T(mén)H204B聲波儀同步采集接收換能器的數(shù)據(jù)。圖3直達(dá)波的幅值曲線(xiàn)超，”波響應(yīng)核謂曲技972.4972.6972.8973973.2秘率/kHz

10、圖4無(wú)氣泡時(shí)接收數(shù)據(jù)的頻譜圖視頻裁證部分t要:由工業(yè)攝像機(jī)、視頻采集卡與PC機(jī)組成.用來(lái)觀察驗(yàn)證氣泡預(yù)處理的效果以及計(jì)算氣泡流速來(lái)檢測(cè)多普勒頻移法測(cè)出的海底滲漏氣泡流速的準(zhǔn)確性。3超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)采用有限個(gè)（20000個(gè)）正弦波發(fā)射頻率取值為奧辿威超聲波流ht傳感器的諧振頻率973kHz作為發(fā)射，同步采樣的間隔為0.5四（采樣頻率為2MHz）,采樣長(zhǎng)度32k字樣,們?nèi)≈禐?0。,水中聲速常溫時(shí)1500ni/s實(shí)驗(yàn)在無(wú)氣泡和有氣泡不同流lit的情況下進(jìn)行對(duì)比。3.1無(wú)氣泡時(shí)的實(shí)驗(yàn)因有宜達(dá)波（聲電泄漏）的存在，實(shí)際上接收換能器也會(huì)右信號(hào)進(jìn)來(lái)，時(shí)域波形如圖3,而此時(shí)的信母

11、就是發(fā)射基頻，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)短時(shí)FKT多次測(cè)他讀數(shù)可以得到頻率為/4972.7164kHz（圖4）。汽達(dá)波帆依曲紋泡反射回來(lái)的頻率。10000120001400016000W圖5有氣泡時(shí)的幅值曲線(xiàn)切聲波響應(yīng)傾清曲線(xiàn)972972.5973973.5秘率/kHz32圖6有氣泡時(shí)接收數(shù)據(jù)的頻譜圖3.2有氣泡時(shí)的實(shí)驗(yàn)在有氣泡時(shí)對(duì)采集到接收超聲流最換能器的數(shù)據(jù)（圖5）進(jìn)行短時(shí)FFT的運(yùn)算可得有氣泡時(shí)的頻譜圖（圖6）仃兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)的頻率是基頻和經(jīng)過(guò)氣通過(guò)有無(wú)氣泡對(duì)比實(shí)驗(yàn)（如圖4和圖6）對(duì)比驗(yàn)證了超聲多普勒頻移的存在，多普勒頻移伉刀就是圖6兩峰對(duì)應(yīng)頻率差值。3.3不同氣流量下的頻移值及海底滲漏氣泡速度為了

12、算出具體的多普勒頻移值,本實(shí)羚在不同氣體流量情況卜.如在20seem,40seem,60seem,80seem,100seem,120seem,140seem.160seem,180seein,200sccm（其中seem為mL/min）時(shí)，進(jìn)行5次測(cè)kt求出多普勒頻移的平均值，根據(jù)（2）式求得海底滲漏氣泡的平均速度在不同流W：下具體對(duì)應(yīng)的多普勒頻移值和氣泡速度值如表1所示。表I不同流量下海底滲漏氣泡的速度流址/seem刀/kHz氣泡速度r/m-s-'20031740.2826400.35410.3153600.37850.3370800.40290.35871000.41510.36

13、961200.43950.39131400.45170.40221600.48830.43481800.50050.44572000.52500.4674測(cè)得每隔20seem流量下具體對(duì)應(yīng)的多普勒頻移值、多普勒法海底滲漏氣泡速度值數(shù),繪制出氣流量-多普勒頻移圖及擬合曲線(xiàn)，如圖7所示。氣體流址-氣泡速度"95%的置信水平誤差棒圖050100150200250，體流U/seem55050.45040.350.3oO對(duì)比多普勒法氣泡速度數(shù)據(jù)和視頻法的海底滲漏氣泡速度數(shù)據(jù)，兩種方法的測(cè)雖結(jié)果接近，趨勢(shì)相同，不過(guò)視頻法在大流址下因?yàn)槲闪鞯囊蛩?引起速度計(jì)算減小。兩種方法的海底滲漏氣泡速度數(shù)據(jù)t

14、分布95%的置信水平誤差如圖804結(jié)語(yǔ)本實(shí)驗(yàn)超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡多普勒頻移在0.30-0.55kHz之間，氣泡平均速度0.280.47m/s左右，與胡柳等明文中用視頻法測(cè)量氣泡流速結(jié)果一致。本實(shí)驗(yàn)用視頻法的結(jié)果和多普勒法進(jìn)行了對(duì)比，多普勒法的數(shù)據(jù)和視頻法的數(shù)據(jù)，分布置信水平為95%的預(yù)測(cè)區(qū)間交叉重合度較大，從多普勒法和視頻法的氣泡速度數(shù)據(jù)I分布95%的置信水平誤差仰知，視頻法的氣泡速度數(shù)據(jù)的波動(dòng)大于多普勒法的氣泡速度數(shù)據(jù)的波動(dòng)，表明了超聲多普勒測(cè)晨海底滲漏氣泡流速方法的精度更高?；诙嗥绽疹l移法測(cè)量海底滲漏氣泡速度和視頻法測(cè)量海底滲漏氣泡速度存在一些差異。原因有:（1）氣泡上升的不只是單

15、純的垂直上升，而是在上升過(guò)程中存在著微小的左右擺動(dòng)皿，以致超聲波聲束與氣泡流速方向夾角的難以準(zhǔn)確測(cè)量，只能以一個(gè)估算值代替此夾角；（2）多普勒法測(cè)的是海底滲漏氣泡的瞬時(shí)速度（即是垂直上升方向和水平方向的合成速度）;視頻法測(cè)出的數(shù)據(jù)是投影速度（即垂直11升的速度），忽略了水平方向的運(yùn)動(dòng);（3）短時(shí)FFT頻率分辨率有待提高，頻率分辨率（少寸ZV,其中/為采樣頻率,N為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)）為0.061kHz,對(duì)應(yīng)海底滲漏氣泡速度分辨率為0.054m/s0以上研究表明，多普勒頻移法測(cè)量海底滲漏氣泡速度優(yōu)于視頻法測(cè)量:海底滲漏氣泡流速，可以為測(cè)量海底冷泉滲漏流提供一種新的方法。圖8氣體流量一氣泡速度/分布95%的

16、置信水平誤差棒圖參考文獻(xiàn)：1 JuddAG.TheGlobalImportanceandContextofMethaneEscapefromtheSeabedJJ.Geo-MarineLetters.2003,23:147-154.2 AmourouxD,RobertsG,RapsomanikisS,clal.BiogenicGasEmissiontotheAtmospherefromNear-ShoreoftheNorth-WesternBlackSeaJ.Estuarine,Coastal&ShelfScience,2002.54:575-587.3 劉勇健，李飽明.張麗娟，等.未

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